(57)【要約】【課題】  光の入射点から光情報を計測する被計測までの距離が長い場合であっても、Ｓ／Ｎを確保して、信頼性の高い分析結果を得る。  【解決手段】  入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ１０から数えて２５本以内、に配設されている計測用ファイバ１２へ接続された光計測部２５の出力は、そのまま光情報として、蛍光薬剤分布算出ユニット３１へ出力される。入射用ファイバ１０から数えて２６本以上離れている計測用ファイバ１２と接続されている光計測部２５の出力は、両隣の2本の計測用ファイバ１２を含む3本の計測用ファイバ１２からの計測結果を加算平均処理して、該計測用ファイバ１２と対応する光情報として蛍光薬剤分布算出ユニット３１出力される。入射光入射点から離れた領域では、加算平均処理により、解像度、すなわち実質的な空間分解能は多少低下するものの、Ｓ／Ｎは向上する。【選択図】          図１
2007082607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数の被計測点から取得し、この取得した光情報に基づいて前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、
前記光情報取得・処理手段が、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の第１領域においては、第１の解像度により取得した光情報を用いて、また前記入射点から第１領域より遠方に位置する第２領域においては、第１の解像度より低い第２の解像度により取得した前記光情報を用いて前記試料内の特性を算出するものであることを特徴とする試料分析装置。
【請求項２】
前記光情報取得・処理手段が、略同面積からなる複数の被計測点からそれぞれ光情報を計測する光情報計測手段と、前記被計測点が前記第１領域内に存在する場合には、隣接するＮ個の被計測点から計測した光情報を加算平均処理して、該加算平均処理後の光情報を該被計測点から取得した光情報として用いて、また前記被計測点が前記第２領域内に存在する場合には、隣接するＮ+１個以上の被計測点から計測した光情報を加算平均処理して、該加算平均処理後の光情報を該被計測点から取得した光情報として用いて、前記試料内の特性を算出することを特徴とする請求項１記載の試料分析装置。
【請求項３】
前記光情報取得・処理手段が、前記被計測点から計測した光情報のＳ／Ｎを算出し、該Ｓ／Ｎに基づいて、前記第１領域および前記第２領域を設定する領域設定手段を有していることを特徴とする請求項１または２記載の試料分析装置。
【請求項４】
前記光情報取得・処理手段が、前記光の入射点と前記被計測点との間の距離の増加に応じて、前記光情報を取得する際の加算平均処理を施す被計測点の数を、前記Ｎ個から段階的に増加するものであることを特徴とする請求項２記載の試料分析装置。
【請求項５】
前記光情報取得・処理手段が、前記第１領域内の被計測点へ伝播した光の光強度を検出する光強度検出手段を備え、該光強度検出手段により検出された光強度に基いて、加算平均処理を施す被計測点数Ｎを設定するものであることを特徴とする請求項２から４いずれか１項記載の試料分析装置。
【請求項６】
前記光情報取得・処理手段が、前記第１領域から前記光情報を取得する際には、第１の面積を有する被計測点から光情報を取得し、前記第２領域から前記光情報を取得する際には、前記第１の面積より大きい第２の面積を有する被計測点から光情報を取得するものであることを特徴とする請求項１記載の試料分析装置。
【請求項７】
前記試料内を伝播した光が、前記試料から発せられる蛍光である事を特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の試料分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に光を照射し、該試料内を伝播した光の光情報を取得することにより、試料内の特性を分析する試料分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体等の光散乱物質に対する吸光分析技術の開発が薦められている。生体などの光散乱物質に照射された光は多重散乱を繰り返しながら吸収されて生体の外部に出てくる。このような光散乱物質内の光の振る舞いについては光拡散理論に基いた光拡散方程式で表される。この光拡散方程式は微分方程式の形で記述される。このため、生体の外部に出射した光を計測し光拡散方程式に当てはめることにより、生体の吸収係数分布または散乱係数分布等の光学特性値分布を得ることができる。
【０００３】
このような検出を行う方法の一例として、時間幅の極めて狭い、ピコ秒程度の極短パルス光を用いる時間分解分光法（time-resolved spectroscopy）を用いたシステムや、高い周波数で変調された変調光を用いる周波数分解分光法（frequency-domain spectroscopy）を用いたシステムが提案されている。
【０００４】
ピコ秒程度の極短パルス光を用いる時間分解分光法においては、パルス状の光を試料（光散乱物質）へ入射させ、試料内を伝播した後に、外部に出てくる光の散乱による時間的な広がり（時間プロファイル）を計測することにより、光拡散方程式をもとにして、試料内の光学特性値分布を知ることができる。
【０００５】
また、高い周波数で変調された変調光を用いる周波数分解分光法においては、高い周波数で変調された変調光を試料（光散乱物質）へ入射させ、試料内を伝播した後に、外部に出てくる光の変調周波数に対する強度変化および位相遅れを計測することにより、光拡散方程式をもとにして、試料内の光学特性値分布を知ることができる（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Utilizing the radiative transfer equation in optical tomography. In OSA Biomedical Optics, Topical Meetings, Miami Beach, Florida, April 14-17 2004, p. WF48. Optical Society of America, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように試料内を伝播した後に、外部にでてくる光の時間プロファイルあるいは変調周波数に対する強度変化および位相遅れ等の光情報を計測する場合、伝播経路が長い場合、すなわち光の入射点から被計測点までの距離が長い場合には、検出できる光の光量が少なく、十分なＳ／Ｎを確保することができず、分析結果の信頼度が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、光の入射点から光情報を計測する被計測点までの距離が長い場合であっても、Ｓ／Ｎを確保することができ、信頼性の高い分析結果を得ることのできる試料分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の試料分析装置では、試料に光を照射する光照射手段と、該試料内を伝播した光の光情報を、前記試料の複数の被計測点から取得し、この取得した光情報に基づいて前記試料内の特性を算出する光情報取得・処理手段とを有する試料分析装置において、
前記光情報取得・処理手段が、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の第１領域においては、第１の解像度により取得した光情報を用いて、また前記入射点から第１領域より遠方に位置する第２領域においては、第１の解像度より低い第２の解像度により取得した前記光情報を用いて前記試料内の特性を算出することを特徴とするものである。
【０００９】
なお、ここで「試料内を伝播した光」とは、試料に照射された光に起因して試料内を伝播した光を意味し、例えば試料に照射された光が試料内で拡散伝播した光や、試料に照射された光により、試料あるいは試料内に存在する蛍光薬剤が励起された結果、試料または試料内に存在する蛍光薬剤から射出された蛍光が試料内で伝播した光などである。
【００１０】
また、「解像度」とは、光情報の実質的な空間分解能を意味するものである。
【００１１】
前記光情報取得・処理手段は、略同面積からなる複数の被計測点からそれぞれ光情報を計測する光情報計測手段と、前記被計測点が前記第１領域内に存在する場合には、隣接するＮ個の被計測点から計測した光情報を加算平均処理して、該加算平均処理後の光情報を該被計測点から取得した光情報として用いて、また前記被計測点が前記第２領域内に存在する場合には、隣接するＮ+１個以上の被計測点から計測した光情報を加算平均処理して、該加算平均処理後の光情報を該被計測点から取得した光情報として用いて、前記試料内の特性を算出するものであってもよい。なお、Ｎは１以上の整数であり、Ｎが１であった場合には、第１領域では、１個の被計測点から計測した光情報をそのまま用いることとする。
【００１２】
また、ここで「光情報を計測する」とは、被計測点から射出された光を電気信号へ変換することを意味している。
【００１３】
前記光情報取得・処理手段は、前記被計測点から計測した光情報のＳ／Ｎを算出し、該Ｓ／Ｎに基づいて、前記第１領域および前記第２領域を設定する領域設定手段を有しているものであってもよい。
【００１４】
なお、前記第１領域および前記第２領域は、入力手段等から前記所定距離を入力すること等により予め設定されているものであってもよいし、上記のような領域設定手段により、測定中あるいは測定前に設定されるものであってもよい。
【００１５】
前記光情報取得・処理手段は、前記光の入射点と前記被計測点との間の距離の増加に応じて、前記光情報を取得する際の加算平均処理を施す被計測点の数を、前記Ｎ個から段階的に増加するものであってもよい。
【００１６】
前記光情報取得・処理手段が、前記第１領域内の被計測点へ伝播した光の光強度を検出する光強度検出手段を備え、該光強度検出手段により検出された光強度に基いて、加算平均処理を施す被計測点数Ｎを設定するものであってもよい。
【００１７】
さらに、前記光情報取得・処理手段は、前記第１領域から前記光情報を取得する際には、第１の面積を有する被計測点から光情報を取得し、前記第２領域から前記光情報を取得する際には、前記第１の面積より大きい第２の面積を有する被計測点から光情報を取得するものであってもよい。
【００１８】
なお、ここで「第１の面積より大きい第２の面積を有する被計測点」は、例えば被計測点に対向して配置された多数のファイバと、該ファイバと接続されたフォトンカウンティング回路を用いて計測を行う装置であれば、第２領域では、第１領域で使用するファイバよりも径の太いファイバを用いて計測を行うことにより実現できる。
【００１９】
前記試料内を伝播した光は、前記試料から発せられる蛍光であってもよい。この蛍光は試料そのものから発せされる自家蛍光であってもよいし、あるいは試料に予め付与されている蛍光薬剤から発せられる薬剤蛍光であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の試料分析装置では、前記試料への前記光の入射点から所定距離内の第１領域においては、第１の解像度により取得した光情報を用いて、また前記入射点から第１領域より遠方に位置する第２領域においては、第１の解像度より低い第２の解像度により取得した前記光情報を用いて前記試料内の特性を算出するので、第１領域では解像度およびＳ／Ｎを確保することができ、また第２領域においては低解像度で光情報を取得することにより、Ｓ／Ｎを確保することができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。
【００２１】
前記被計測点が前記第１領域内に存在する場合には、隣接するＮ個の被計測点から計測した光情報を加算平均処理して、該加算平均処理後の光情報を該被計測点から取得した光情報として用いて、また前記被計測点が前記第２領域内に存在する場合には、隣接するＮ+１個以上の被計測点から計測した光情報を加算平均処理して、該加算平均処理後の光情報を該被計測点から取得した光情報として用いて、前記試料内の特性を算出するので、第１領域では解像度およびＳ／Ｎを確保することができ、また第２領域においては、解像度は多少低下するものの、Ｓ／Ｎを向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。
【００２２】
また、前記被計測点から計測した光情報のＳ／Ｎを算出し、該Ｓ／Ｎに基づいて、前記第１領域および前記第２領域を設定することにより、試料の光特性等に応じて、適切な第１領域および第２領域を設定することができる。
【００２３】
前記光の入射点と前記被計測点との間の距離の増加に応じて、前記光情報を取得する際の加算平均処理を施す被計測点の数を、前記Ｎ個から段階的に増加するものであれば、より細やかに被計測点の数を適切な値に設定することができる。
【００２４】
前記第１領域内の被計測点へ伝播した光の光強度を検出する光強度検出手段を備え、該光強度検出手段により検出された光強度に基いて、加算平均処理を施す被計測点数Ｎを設定するものであれば、不必要な測定時間の増加を抑制することができる。
【００２５】
また、前記光情報取得・処理手段が、前記第１領域から前記光情報を取得する際には、第１の面積を有する被計測点から光情報を取得し、前記第２領域から前記光情報を取得する際には、前記第１の面積より大きい第２の面積を有する被計測点から光情報を取得するので、第１領域においては解像度およびＳ／Ｎを確保することができ、また第２領域においては計測点の面積を大きくすることにより、解像度は低下するものの、Ｓ／Ｎを向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態である試料分析装置について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態である試料分析装置１の概略構成図である。本試料分析装置１は、予め腫瘍親和性を有する蛍光薬剤が投与された被検者の被測定部９へ、該蛍光薬剤を励起する波長帯域の入射光Ｌ１を照射し、被測定部９内の蛍光薬剤の分布状態を計測する試料分析装置である。なお、蛍光薬剤としては、波長７５０nmの光で励起した場合に、７７０nm〜７９０nmの波長の蛍光を射出する蛍光薬剤を用いている。
【００２７】
試料分析装置１は、図１に示すように、入射光Ｌ１を伝送する１００本の入射用ファイバ１０が一列に並んだ入射用ファイバレイ１１と散乱光Ｌ２および蛍光Ｌ３を伝送する１００本の計測用ファイバ１２が一列に並んだ計測用ファイバアレイ１３とが並んで配設されている光プローブ部１４と、入射用ファイバレイ１１と接続された光源ユニット１５と、計測用ファイバアレイ１３と接続された計測ユニット１６と、光源ユニット１５および計測ユニット１６と接続された制御・信号処理ユニット１７とを備えている。
【００２８】
入射用ファイバ１０および計測用ファイバ１２は、それぞれ直径１００μｍであり、コア径は８０μｍ、クラッド層は厚さ１０μｍである。
【００２９】
光源ユニット１５は、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の入射光Ｌ１を、１００ＭＨｚで射出する光源２０と、該光源から射出された入射光Ｌ１を１００本の入射用ファイバ１０へ順次入射させる光スイッチ２１と、該光スイッチ２１の出力端と各入射用ファイバ１０との間にそれぞれ配置された１００枚のレンズ２２とから構成されている。
【００３０】
計測ユニット１６は、各計測用ファイバ１２へ、それぞれ接続されている１００個の光計測部２５から構成されている。各光計測部２５は、計測用ファイバ１２から射出された光のうち、波長７６０ｎｍ未満の波長の光を直角に反射し、波長７６０nm以上の光を透過するダイクロイックミラー２６と、波長７６０ｎｍ未満の波長の光に対して、各計測時間における検出フォトン数を求めるフォトンカウンティング回路２７と波長７６０ｎｍ以上の波長の光に対して、各計測時間における検出フォトン数を求めるフォトンカウンティング回路２８と、レンズ２９ａ、２９ｂおよび２９ｃとから構成されている。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８は、それぞれ不図示の高速フォトディテクターおよびＴＡＣ(Time Amplitude Detector) から構成され、光パルスを入射したタイミングとフォトンが検出されたタイミングの時間差を測定するものであり、フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は後述する制御・信号処理ユニット１７の信号処理部３０へ出力される。
【００３１】
制御・信号処理ユニット１７は、試料分析装置１全体の動作を制御するものであり、また、１つの光計測部２５からの出力に基いて、図２に示すような時間プロファイルを作成するか、あるいは隣接する３つの光計測部２５からの出力に基いて時間プロファイルを作成する信号処理部３０と、該信号処理部３０から出力された時間プロファイルに基いて、被測定部９内の蛍光薬剤分布状態を算出する蛍光薬剤分布算出ユニット３１とを有している。なお、制御・信号処理ユニット１７の動作の詳細は後述する。
【００３２】
次に、上記第１の実施の形態の試料分析装置１の動作について説明する。まず、本試料分析装置１においては、腫瘍が存在する被検者の被測定部９へ光プローブ部１４を接触させる。なお、図示省略してはあるが、光プローブ部１４は、被測定部９へ接触しているものであり、また光プローブ部１４の先端部は透明な保護部材により保護されている。
【００３３】
制御・信号処理ユニット１７の制御により、計測動作が開始される。まず、光源ユニット１５の光源２０から、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の入射光Ｌ１が１００ＭＨｚで射出される。光スイッチ２１は、光源２０から射出された入射光Ｌ１を、１００万パルス毎にファイバ１本分ずつずらしながら、１００本の入射用ファイバ１０へ順次入射させる。
【００３４】
入射光L１の照射と平行して、各計測用ファイバ１２へそれぞれ接続されている１００個の光計測部２５において計測動作が行われる。被測定部９からは、入射光L1の散乱光L2と、被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光L3とが射出されている。これらの光は、各計測用ファイバ１２を透過して、各光計測部２５へ入射する。散乱光L2は、ダイクロイックミラー２６で反射して、フォトンカウンティング回路２７へ入射し、蛍光L3はダイクロイックミラー２６を透過して、フォトンカウンティング回路２８へ入射する。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は制御・信号処理ユニット１７の信号処理部３０へ出力される。
【００３５】
信号処理部３０は、光計測部２５が、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ１０と隣接する計測用ファイバ１２および該計測用ファイバ１２から数えて２５本以内、すなわち本発明の第１領域内、に配設されている計測用ファイバ１２と接続されて場合には、光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８のそれぞれの出力、すなわち１００万パルス分の出力に基いてそれぞれ時間プロファイルを作成し、この時間フロファイルを計測用ファイバ１２が位置している点の光情報として蛍光薬剤分布算出ユニット３１へ出力する。
【００３６】
光計測部２５が、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ１０と隣接する計測用ファイバ１２から数えて２６本以上はなれている、すなわち本発明の第２領域内に配設されている計測用ファイバ１２と接続されている場合には、光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８のそれぞれの出力に、両隣の2個の光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８のそれぞれの出力を加え、すなわち３００万パルス分の出力に基いてそれぞれ時間プロファイルを作成し、この時間フロファイルを計測用ファイバ１２が位置している点の光情報として蛍光薬剤分布算出ユニット３１へ出力する。なお、入射光Ｌ１を射出する入射用ファイバ１０の位置が順次変更されるため、両隣の計測用ファイバ１２の出力を含む３００万パルス分の出力に基いて時間プロファイルを作成する計測用ファイバ１２の位置は、入射光Ｌ１を射出する入射用ファイバ１０の位置と共に順次変更される。
【００３７】
蛍光薬剤分布算出ユニット３１では、1回の入射光Ｌ１の照射で、フォトンカウンティング回路２７により計測された入射光の伝播光の時間プロファイル１００個と、フォトンカウンティング回路２８により計測された薬剤蛍光の伝播光の時間プロファイル１００個とが作成される。入射光Ｌ１は、照射位置を変更しながら１００万パルス×１００回照射されるので、最終的には入射光の伝播光の時間プロファイル１００００個と、薬剤蛍光L３の伝播光の時間プロファイル１００００個が作成される。
【００３８】
計測終了後、蛍光薬剤分布算出ユニット３１では、まず入射光の散乱光L２の時間プロファイル１００００個に対して光拡散方程式に基いた信号処理を施して、入射光Ｌ１に対する被測定部９内の光散乱係数分布および吸収係数分布を算出する。ついで、この波長７５０nmの入射光Ｌ１に対する被測定部９内の光散乱係数分布および吸収係数分布に基づいて波長７７０nm〜７９０nmの蛍光Ｌ３に対する被測定部９内の光散乱係数分布および吸収係数分布を求める。その後、この蛍光L３に対する被測定部９内の光散乱係数分布および吸収係数分布、薬剤蛍光L３の伝播光の時間プロファイル１００００個および光拡散方程式に基づいて、薬剤蛍光L3の射出源の分布、すなわち蛍光薬剤の分布を算出し、不図示のモニタへ断層画像として出力する。蛍光薬剤としては、前述したように腫瘍親和性を有する蛍光薬剤を用いているため、この断層画像は腫瘍の形状を示す断層画像となる。
【００３９】
以上の説明で明らかなように、本発明の第１の実施形態である試料分析装置１においては、同じ径を有する計測用ファイバ１２を用いて、被測定部９からそれぞれ光情報を計測し、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ１０と隣接する計測用ファイバ１２および該計測用ファイバ１２から数えて２５本以内、すなわち本発明の第１領域内、に配設されている計測用ファイバ１２へ接続された光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は、そのカウンティング回路からの１００万パルス分の出力に基いた時間プロファイルを蛍光薬剤分布算出ユニット３１へ出力し、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ１０と隣接する計測用ファイバ１２から数えて２６本以上はなれている、すなわち本発明の第２領域内に配設されている計測用ファイバ１２と接続されている光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は、両隣の2個の光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力が加えられた３００万パルス分の出力に基いた時間プロファイルを蛍光薬剤分布算出ユニット３１に出力することにより、入射光入射点近傍では解像度およびＳ／Ｎを確保することができ、また入射光入射点から離れた領域では、このような加算平均処理により、解像度、すなわち実質的な空間分解能は多少低下するものの、Ｓ／Ｎを向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。
【００４０】
なお、加算平均を行う際に使用するファイバの本数は、複数本であればよく、また、入射用ファイバ１０から距離に応じて、適宜本数を増加させてもよい。
【００４１】
また、本実施の形態においては説明を簡単にするために、１次元のファイバアレイを用いて計測を行ったが、２次元ファイバアレイを用いてもよく、この場合には３次元断層像を取得することもできる。また1次元ファイバアレイを該ファイバアレイの長手方向と直角な方向へ移動させながら、計測を繰り返すことによっても３次元断層像を取得することができる。
【００４２】
また、本実施の形態の変形例として、予め第１領域と第２領域の境界が設定される制御・信号処理ユニット１７の代わりに、被計測点から計測した光情報のＳ／Ｎを算出し、該Ｓ／Ｎに基いて第１領域と第２領域との境界を設定する制御・信号処理ユニット１８を用いてもよい。
【００４３】
制御・信号処理ユニット１８では、計測開始後、計測毎に、計測した時間プロファイル
のピーク近傍の平均値とその標準偏差を算出する。平均値／標準偏差＝Ｓ／Ｎとみなし、この値が所定値、例えば１０以下となった場合には、Ｓ／Ｎが劣化しているため、それ以後は３本の計測用ファイバ１２からの出力である３００万パルスから時間プロファイルを求めることにより、Ｓ／Ｎを向上させる。
【００４４】
あるいは、被計測点から計測した光情報と、該被計測点と隣接した被計測点から計測した光情報とを比較し、該比較結果に基づいて、第１領域と第２領域との境界を設定してもよい。計測開始後、計測毎に、計測した時間プロファイルの形状と、直前に隣接する被計測点から計測した時間プロファイルの形状とを比較し、両者の形状がほほ同じであった場合には、それ以後は計測するパルス数を増加する。すなわち、被計測点が、入射光入射点から離れるに従って、Ｓ／Ｎが劣化し、計測した時間プロファイルの形状に差がなくなってくるので、時間プロファイルの形状がほぼ同じになった時点で、それ以後は計測パルス数を増加させて、Ｓ／Ｎを向上させる。
【００４５】
このように、光情報のＳ／Ｎに基いて第１領域と第２領域との境界を設定すれば、試料の光特性等に応じて、適切な第１領域および第２領域を設定することができる。
【００４６】
なお、制御・信号処理ユニット１８では、計測開始直後に、計測した時間プロファイルから、光強度を算出し該光強度に基いて、何本の計測用ファイバ１２の出力に基いて時間プロファイルを取得するかを設定してもよい。例えば光強度が小さい場合には、最初から３本の計測用ファイバ１２の出力に基いて時間プロファイルを取得し、第２領域では５本の計測用ファイバ１２の出力に基いて時間プロファイルを取得してもよい。
【００４７】
また、計測毎に光強度を算出し、光強度に基いて、順次段階的あるいは連続的に時間プロファイルを取得するために使用する計測ファイバ１２の本数を増加させてもよい。あるいは、Ｓ／Ｎに基いて、順次段階的あるいは連続的に計測ファイバ１２の本数を増加させてもよいし、入射点からの距離に基いて順次段階的あるいは連続的に計測ファイバ１２の本数を増加させてもよい。
【００４８】
また、本実施の形態の他の変形例として、信号処理部３６および蛍光薬剤分布算出ユニット３７を有する制御・信号処理ユニット１９を用いることもできる。入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ１０と隣接する計測用ファイバ１２から数えて２６本以上はなれている、すなわち本発明の第２領域内に存在する、計測用ファイバ１２と接続されている光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は、隣接する2本の計測用ファイバ１２に接続されている光計測部２５毎に、例えば２６本目の計測用ファイバ１２に接続されている光計測部２５と２７本目の計測用ファイバ１２に接続されている光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力である２００万パルス毎に、時間プロファイルを取得して、蛍光薬剤分布算出ユニット３７へ出力する信号処理部３６と、信号処理部３６から出力された時間プロファイルに基いて蛍光薬剤の分布を算出する蛍光薬剤分布算出ユニット３７とを用いることもできる。この場合には、入射用ファイバ１０と隣接する計測用ファイバ１２から数えて２６本以上離れている、すなわち本発明の第２領域内に存在する、計測用ファイバ１２においては、２本毎に計測を行うことと同じであり、蛍光薬剤分布算出ユニット３７へ出力するデータ数が減少し、蛍光薬剤分布算出ユニット３７における蛍光薬剤の分布状態を算出するために必要な時間が減少する。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、入射光Ｌ１を射出する入射用ファイバ１０と計測用ファイバ１２とが別個に設けられた光プローブ１４を用いたが、図３示すように、光サーキュレータ４０により、入射用ファイバ４１と、計測用ファイバ４２と、励起・計測用ファイバ４３とが接続されている光プローブ部４４を用いてもよい。この場合には励起・計測用ファイバ４３に中の１本のファイバが、入射光照射用として順次用いられ、残りの励起・計測用ファイバ４３が計測用に用いられる。
【００５０】
次に、図４を用いて本発明の第２の実施の形態である試料分析装置２について説明する。本試料分析装置２は、図１に示す試料分析装置１と同様に予め腫瘍親和性を有する蛍光薬剤が投与された被検者の被測定部９へ、該蛍光薬剤を励起する波長帯域の入射光Ｌ１を照射し、被測定部９内に予め投与された蛍光薬剤の分布状態を計測する装置であり、入射光Ｌ１を射出する一本の入射用ファイバ５０と、一本の計測用ファイバ５１とを備え、該計測用ファイバ５１を走査することにより計測を行う簡易型の試料分析装置である。
【００５１】
本試料分析装置２は、図４に示すように、入射光Ｌ１を伝送する入射用ファイバ５０と、散乱光Ｌ２および蛍光Ｌ３を伝送する計測用ファイバ５１と、該計測用ファイバ５１を直線的に走査する走査部５２とを有する光プローブ部５３と、入射用ファイバ５０と接続された光源ユニット５４と、計測用ファイバ５１と接続された計測ユニット５５と、光源ユニット５４および計測ユニット５５と接続された制御・信号処理ユニット５６とを備えている。なお図１に示す第１の具体的な実施の形態と同等の要素については同番号を付し、特に必要のない限りその説明は省略する。
【００５２】
入射用ファイバ５０および計測用ファイバ５１は、それぞれ直径１００μｍであり、コア径は８０μｍ、クラッド層は厚さ１０μｍである。
【００５３】
光源ユニット５４は、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の入射光Ｌ１を、１００ＭＨｚで射出する光源５７とレンズ２２とから構成されている。
【００５４】
計測ユニット５５は、第１の実施の形態である試料分析装置１の光計測部２５と同じ構成である。
【００５５】
制御・信号処理ユニット５６は、試料分析装置２全体の動作を制御するものであり、フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力から取得した時間プロファイルを光情報として出力する信号処理部６０と、該信号処理部６０から出力された時間プロファイルに基いて、被測定部９内の蛍光薬剤分布状態を算出する蛍光薬剤分布算出ユニット６１とを有している。制御・信号処理ユニット５６の動作の詳細は後述する。
【００５６】
次に、上記第２の実施の形態の試料分析装置２の動作について説明する。まず、本試料分析装置２においては、腫瘍が存在する被測定部９へ光プローブ部５３を接触させる。なお、図示省略してあるが、光プローブ部５３の先端部は透明な保護部材により保護されている。
【００５７】
制御・信号処理ユニット５６の制御により、計測動作が開始される。まず、光源ユニット５４の光源５７から、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の入射光Ｌ１を１００ＭＨｚで射出する。また、制御・信号処理ユニット５６の制御により走査部５２は、入射光Ｌ１の１００万パルス毎に、計測用ファイバ５１を１００μｍずつ直線的に１００回移動させる。
【００５８】
また、入射光L１の１パルス毎に、計測ユニット５５において計測動作が行われる。被測定部９からは、入射光L1の散乱光L2と、被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光L3とが射出されている。これらの光は、計測用ファイバ５１を透過して、計測ユニット５５へ入射する。散乱光L2は、ダイクロイックミラー２６で反射して、フォトンカウンティング回路２７へ入射し、蛍光L3はダイクロイックミラー２６を透過して、フォトンカウンティング回路２８へ入射する。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の制御・信号処理ユニット５６の信号処理部６０へ出力される。
【００５９】
信号処理部６０は、計測用ファイバ５１が、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ５０から３ｍｍ以内に計測用ファイバ５１が位置している場合、すなわち本発明の第１領域内に計測用ファイバ５１が位置している場合には、計測ユニット５５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力である１００万パルスから取得した時間プロファイルを、計測用光ファイバ５１が位置している計測点の光情報として、蛍光薬剤分布算出ユニット６１へ出力し、計測用ファイバ５１が、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ５０から３ｍｍより遠方に、すなわち本発明の第２領域内に位置している場合に、計測ユニット５５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力に、それぞれ入射光Ｌ１の前後１００パルス分の計測結果を加えた３００万パルスの出力から取得した時間プロファイルを、蛍光薬剤分布算出ユニット６１へ出力するものである。
【００６０】
入射光Ｌ１は、１００万パルス×１００回照射されるので、最終的には入射光の伝播光の時間プロファイル１００個と、薬剤蛍光L３の伝播光の時間プロファイル１００個が蛍光薬剤分布算出ユニット６１に入力される。
【００６１】
計測終了後、蛍光薬剤分布算出ユニット６１では、まず入射光の散乱光L２の時間プロファイル１００個に対して光拡散方程式に基いた信号処理を施して、入射光Ｌ１に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数を算出する。ついで、この入射光Ｌ１に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数にもとづいて、蛍光L３に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数を求める。その後、この蛍光L３に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数、薬剤蛍光L３の伝播光の時間プロファイル１００個および光拡散方程式に基づいて、薬剤蛍光L3射出源の分布、すなわち蛍光薬剤の分布を算出し、不図示のモニタへ断層画像として出力する。蛍光薬剤としては、前述したように腫瘍親和性を有する蛍光薬剤を用いているため、この断層画像は腫瘍の形状を示す断層画像となる。なお、時間プロファイルの取得数が少ないため、簡易な断層画像となるが、断層画像取得時間および処理時間が短縮され、短時間で断層画像を取得することができる。
【００６２】
以上の説明で明らかなように、本発明の第２の実施形態である試料分析装置１においては、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ５０から３ｍｍ以内に計測用ファイバ５１が位置している場合、すなわち本発明の第１領域内に計測用ファイバ５１が位置している場合には、計測ユニット５５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の１００万パルス分の出力から取得した時間プロファイルを、蛍光薬剤分布算出ユニット６１へ出力し、計測用ファイバ５１が、入射光Ｌ１が射出されている入射用ファイバ５０から３ｍｍより遠方に位置している場合、すなわち本発明の第２領域内に計測用ファイバ５１が位置している場合には、計測ユニット５５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の１００万パルス分の出力に、それぞれ入射光Ｌ１の前後２００パルス分の出力を加えた３００万パルス分の出力から取得した時間プロファイルを蛍光薬剤分布算出ユニット６１へ出力することにより、入射光入射点近傍では解像度およびＳ／Ｎを確保することができ、また入射光入射点から離れた領域では、加算平均処理により、解像度、すなわち実質的な空間分解能は多少低下するものの、Ｓ／Ｎを向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においては説明を簡単にするために、計測用光ファイバ５１を１次元状に移動させたが、２次元状に移動させてもよく、この場合には３次元断層像を取得することもできる。
【００６４】
なお、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、予め第１領域と第２領域の境界を設定せずに、被計測点から計測した光情報のＳ／Ｎを算出し、該Ｓ／Ｎに基いて第１領域と第２領域との境界を設定してもよい。また計測開始直後に計測した時間プロファイルから、光強度を算出し該光強度に基いて、何本の計測用ファイバ１２の出力に基いて時間プロファイルを取得するかを設定してもよい。
【００６５】
次に、図５を用いて本発明の第３の実施の形態である試料分析装置３について説明する。本試料分析装置３、図４に示す試料分析装置２と同様に予め腫瘍親和性を有する蛍光薬剤が投与された被検者の被測定部９へ、該蛍光薬剤を励起する波長帯域の入射光Ｌ１を照射し、被測定部９内に予め投与された蛍光薬剤の分布状態を計測する装置であり、入射光Ｌ１を射出する一本の入射用ファイバ５０と、コア径の異なる計測用ファイバが一次元状にバンドルされた計測用ファイバアレイ７１とからなる光プローブ７０を有する簡易型の試料分析装置である。
【００６６】
本試料分析装置３は、図５に示すように、入射光Ｌ１を伝送する入射用ファイバ５０と、直径１００μ、コア径８０μｍの計測用ファイバ７２が３０本、直径１４５μ、コア径１２５μｍの計測用ファイバ７３が２０本、直径２７０μｍ、コア径２５０μｍの計測用ファイバ７４が１5本、一次元状にバンドルされている計測用ファイバアレイ７１とからなる光プローブ７０と、入射用ファイバ５１と接続された光源ユニット５４と、計測用ファイバアレイ７１と接続された計測ユニット７５と、光源ユニット５４および計測ユニット７５と接続された制御・信号処理ユニット７６とを備えている。なお図２に示す第２の具体的な実施の形態と同等の要素については同番号を付し、特に必要のない限りその説明は省略する。
【００６７】
計測ユニット７５は、各計測用ファイバと接続された６５個の光計測部２５から構成されている。
【００６８】
制御・信号処理ユニット７６は、試料分析装置３全体の動作を制御するものであり、また、フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力から時間プロファイルを取得する信号処理部７７と、該信号処理部７７から出力された時間プロファイルに基いて、被測定部９内の蛍光薬剤分布状態を算出する蛍光薬剤分布算出ユニット７８とを有している。
【００６９】
次に、上記第３の実施の形態の試料分析装置３の動作について説明する。まず、本試料分析装置３においては、腫瘍が存在する被測定部９へ光プローブ部７０を接触させる。なお、図示省略してあるが、光プローブ部７０の先端部は透明な保護部材により保護されている。
【００７０】
制御・信号処理ユニット７６の制御により、計測動作が開始される。まず、光源ユニット５４の光源５７から、波長７５０nm、パルス幅１００ps、平均パワー３ｍＷのパルス状の入射光Ｌ１を射出する。
【００７１】
被測定部９からは、入射光L1の散乱光L2と、被測定部９内の蛍光薬剤から発せられた蛍光L3とが射出されている。これらの光は、計測用ファイバ７２、７３および７４を透過して、光計測部２５へ入射する。散乱光L2は、ダイクロイックミラー２６で反射して、フォトンカウンティング回路２７へ入射し、蛍光L3はダイクロイックミラー２６を透過して、フォトンカウンティング回路２８へ入射する。フォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力は制御・信号処理ユニット７６の信号処理部７７へ出力される。
【００７２】
信号処理部７７は、各光計測部２５のフォトンカウンティング回路２７およびフォトンカウンティング回路２８の出力に基いて時間プロファイルを取得し、蛍光薬剤分布算出ユニット７８へ出力するものである。
【００７３】
計測用ファイバは６５本あるので、入射光の伝播光の時間プロファイル６５個と、薬剤蛍光L３の伝播光の時間プロファイル６５個が、蛍光薬剤分布算出ユニット７８へ出力される。
【００７４】
蛍光薬剤分布算出ユニット７８では、まず入射光の散乱光L２の時間プロファイル６５個に対して光拡散方程式に基いた信号処理を施して、入射光Ｌ１に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数を算出する。なお、蛍光薬剤分布算出ユニット６１には、予め、各計測用ファイバ７２、７３および７４毎に、入射用ファイバ５０からの距離が記憶されており、該計測用ファイバ７２、７３および７４の計測位置と、時間プロファルに応じて、被測定部９内の光散乱係数および吸収係数を算出する。ついで、この入射光Ｌ１に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数にもとづいて、蛍光L３に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数を求める。その後、この蛍光L３に対する被測定部９内の光散乱係数および吸収係数、薬剤蛍光L３の伝播光の時間プロファイル６５個および光拡散方程式に基づいて、薬剤蛍光L3射出源の分布、すなわち蛍光薬剤の分布を算出し、不図示のモニタへ断層画像として出力する。蛍光薬剤としては、前述したように腫瘍親和性を有する蛍光薬剤を用いているため、この断層画像は腫瘍の形状を示す断層画像となる。なお、時間プロファイルの取得数が少ないため、簡易な断層画像となるが、断層画像取得時間および処理時間が短縮され、短時間で断層画像を取得することができる。
【００７５】
以上の説明で明らかなように、本発明の第３の実施形態である試料分析装置１においては、入射用ファイバ５０から３ｍｍ以内に第１領域においては、コア径８０ｍｍの計測用ファイバ６２を用いて被測定部９から光情報を取得し、入射用ファイバ５０から略６ｍｍ以上離れている第２領域においては、コア径２５０ｍｍの計測用ファイバ６４を用いて被測定部９から光情報を取得しているため、第１領域においては解像度およびＳ／Ｎを確保することができ、また第２領域においては計測点の面積を大きくすることにより、解像度は低下するものの、Ｓ／Ｎを向上させることができ、信頼性の高い分析結果を得ることができる。なお、入射用ファイバ５０からの距離が略３ｍｍ〜略６ｍｍの領域においては、コア径１２５ｍｍの計測用ファイバ６３を用いて被測定部９から光情報を取得しているため、第１領域に比べ解像度はやや低下するものの、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００７６】
また、本実施の形態においては、計測用ファイバのコア径を段階的に増加させたが、例えば入射用ファイバからの距離に応じて、コア径を連続的に増加してもよい。
【００７７】
また、本実施の形態においては説明を簡単にするために、１次元のファイバアレイを用いて計測を行ったが、２次元ファイバアレイを用いてもよく、この場合には３次元断層像を取得することもできる。また1次元ファイバアレイを該ファイバアレイの長手方向と直角な方向へ移動させながら、計測を繰り返すことによっても３次元断層像を取得することができる。
【００７８】
なお、各実施の形態においては、時間分解分光法（time-resolved spectroscopy）を用いた計測システムへ本発明を適用したが、周波数分解分光法（frequency-domain spectroscopy）を用いた計測システムへも本発明を適用可能であることは言うまでもない。なお、周波数分解分光法を用いた場合には、入射光L1として高い周波数で変調された変調光を用い、散乱光L2および蛍光L3の強度変化および位相遅れを計測すればよく、第２領域においては、３本の計測用ファイバから取得した強度変化および位相遅れの加算平均値を求めればよい。
【００７９】
なお、このような周波数分解分光法を用いた計測システムにおいては、所定の計測用ファイバ１２を用いて計測した位相遅れ量D１と、該計測用ファイバ１２と隣接する計測用ファイバ１２を用いて計測した位相遅れ量D２の差D1−D2を算出し、該差に基づいて、被計測点から計測した光情報に対して加算平均処理を施すか否かを判定し、該判定結果に基づいて加算平均処理を施してもよい。また、例えば差D1−D2が所定値以下であった場合に加算平均処理を行ってもよいし、あるいは差D1−D2が
−０．０１＜（Ｄ１−Ｄ２）÷（Ｄ１+Ｄ２）／２＜０．０１
であった場合に加算平均処理を行ってもよい。
【００８０】
また、計測開始後、計測毎に、位相遅れ量の平均値とその標準偏差を算出し、平均値／標準偏差＝Ｓ／Ｎとみなし、この値が所定値、例えば１０以下となった場合には、Ｓ／Ｎが劣化しているため、それ以後は位相計測用ファイバの本数を増加させて時間を増加させてＳ／Ｎを向上させてもよい。
【００８１】
このように、光情報のＳ／Ｎに基いて第１領域と第２領域との境界を設定すれば、試料の光特性等に応じて、適切な第１領域および第２領域を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態である試料分析装置の概略構成図
【図２】時間プロファイルの説明図
【図３】光プローブの概略構成図
【図４】本発明の第２の実施の形態である試料分析装置の概略構成図
【図５】本発明の第３の実施の形態である試料分析装置の概略構成図
【符号の説明】
【００８３】
１，２，３    試料分析装置
９      被測定部
１０、４１、５０    入射用ファイバ
１１    入射用ファイバレイ
１２、４２、５１、７２    計測用ファイバ
１３，７１    計測用ファイバアレイ
１４、４４、５３、７０    光プローブ部
１５、５４    光源ユニット
１６、５５    計測ユニット
１７、５６、７６    制御・信号処理ユニット
２５    光計測部
３０、３６、６０、７７    信号処理部
３１、３７、６１、７８    蛍光薬剤分布算出ユニット
４０    光サーキュレータ
４３    励起・計測用ファイバ
５２    走査部      
【図１】
2007082607.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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